“Quantum Tango” and Inverse Isotope Effect in Furan–Water Complex Unraveled by Microwave Spectroscopy and Instanton Theory

瞬子 呋喃 反向 光谱学 微波食品加热 量子 旋转光谱学 物理 化学 量子力学 数学 有机化学 几何学
作者
Qi Zhou,Xinlei Chen,Weixing Li,Jingling Hong,Wenbin Fan,Z. R. Ye,Luca Evangelisti,Guanjun Wang,Xiaoqing Zeng,Wei Fang,Dong H. Zhang,Mingfei Zhou
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:: 7773-7779
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5c01725
摘要

Quantum tunneling, a phenomenon central to various physical and chemical processes, is intricately tied to the mass of the tunneling particle. Here, microwave spectroscopy reveals coupled tunneling and inverse H/D isotope effect in a hydrogen-bonded furan-water double-well system. Despite the greater mass of the furan moiety compared to water, deuteration of furan significantly decreases the tunneling splittings, suggesting substantial tunneling involvement. More remarkably, the tunneling splitting doubled upon deuteration of the hydrogen-bonded hydrogen, contrary to typical mass effects on tunneling. Ab initio instanton theory calculations reproduced the tunneling splitting and the anomalous isotope effects, revealing a coupled rotation of both H2O and furan in opposite directions during tunneling, demonstrating that "it takes two to tango". The inverse H/D isotope effect arises from the variation of the hydrogen bond bending vibrational mode orthogonal to the tunneling pathway, which stems from changes in the hydrogen bond strength during tunneling.
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